DC-ylijännitesuojalaitteet aurinkosähköasennuksiin

Aurinkopaneelin PV-yhdistelmärasia DC-ylijännitesuoja

Koska tasavirtajännitesuojalaitteet PV-asennuksiin on suunniteltava siten, että ne altistuvat täydellisesti auringonvalolle, ne ovat erittäin alttiita salaman vaikutuksille. PV-ryhmän kapasiteetti liittyy suoraan sen paljaaseen pinta-alaan, joten salamatapahtumien mahdollinen vaikutus kasvaa järjestelmän koon mukaan. Jos valaistus tapahtuu usein, suojaamattomat aurinkosähköjärjestelmät voivat kärsiä toistuvista ja merkittävistä vaurioista avainkomponenteille. Tämä johtaa huomattaviin korjaus- ja vaihtokustannuksiin, järjestelmän seisokkeihin ja tulojen menetykseen. Oikein suunnitellut, määritellyt ja asennetut ylijännitesuojalaitteet (SPD) minimoivat salamatapahtumien mahdolliset vaikutukset, kun niitä käytetään yhdessä suunniteltujen salamansuojajärjestelmien kanssa.

Salamasuojausjärjestelmä, joka sisältää peruselementit, kuten ilmaliittimet, oikeat alasjohtimet, potentiaalintasausliitännät kaikille virtaa kuluttaville komponenteille ja asianmukaiset maadoitusperiaatteet, tarjoaa suojan kuomulta suorilta iskuilta. Jos aurinkosähkölaitoksellasi on huolta salamariskistä, suosittelen lämpimästi palkata ammattitaitoinen sähköinsinööri, jolla on asiantuntemusta tällä alalla, toimittamaan tarvittaessa riskinarviointitutkimus ja suojausjärjestelmän suunnittelu.

On tärkeää ymmärtää salaman suojausjärjestelmien ja SPD: n välinen ero. Salamasuojajärjestelmän tarkoituksena on ohjata suora salamanisku isojen virtaa johtavien johtimien kautta maahan, mikä säästää rakenteita ja laitteita olemasta purkautumisen tiellä tai iskuilta. SPD: itä käytetään sähköjärjestelmiin purkupolun aikaansaamiseksi maahan säästääkseen näiden järjestelmien komponentit altistumiselta salaman tai sähköjärjestelmän poikkeavuuksien suorien tai epäsuorien vaikutusten aiheuttamille suurjännitetransienteille. Jopa ulkoisen salamanestojärjestelmän ollessa paikallaan, ilman SPD: tä, salaman vaikutukset voivat silti vahingoittaa komponentteja.

Oletan tämän artikkelin kannalta, että jonkinlainen salamansuojaus on käytössä, ja tutkin asianmukaisten SPD: n lisäkäytön tyypit, toiminnot ja edut. Oikein suunnitellun salamansuojajärjestelmän yhteydessä SPD: n käyttö järjestelmän tärkeimmissä paikoissa suojaa tärkeimmät komponentit, kuten taajuusmuuttajat, moduulit, yhdistinrasioissa olevat laitteet sekä mittaus-, ohjaus- ja tietoliikennejärjestelmät.

SPD: n merkitys

Suorien salamalaitteiden seurausten lisäksi verkkojohdotus on erittäin altis sähkömagneettisesti aiheutetuille transienteille. Salaman suoraan tai epäsuorasti aiheuttamat transientit samoin kuin apuohjelman kytkentätoimintojen aiheuttamat transientit altistavat sähkö- ja elektroniikkalaitteet erittäin suurille, hyvin lyhytaikaisille (kymmenistä satoihin mikrosekunteihin) ylijännitteille. Näille ohimeneville jännitteille altistuminen voi aiheuttaa katastrofaalisen komponenttivian, joka voi olla havaittavissa mekaanisten vaurioiden ja hiilinseurannan avulla tai olla huomaamaton, mutta silti aiheuttaa laitteen tai järjestelmän vian.

Pitkäaikainen altistuminen pienemmille transienteille heikentää aurinkosähköjärjestelmän laitteiden dielektristä ja eristävää materiaalia, kunnes lopullinen hajoaminen tapahtuu. Lisäksi jännitehäiriöitä voi ilmetä mittaus-, ohjaus- ja tietoliikennepiireissä. Nämä transientit saattavat näyttää olevan virheellisiä signaaleja tai tietoja, jotka aiheuttavat laitteiden toimintahäiriöitä tai sammutuksia. SPD: n strateginen sijoittaminen lieventää näitä ongelmia, koska ne toimivat oikosulku- tai kiinnityslaitteina.

SPD: n tekniset ominaisuudet

Yleisin aurinkosähkösovelluksissa käytetty SPD-tekniikka on metallioksidivaristori (MOV), joka toimii jännitteen kiinnityslaitteena. Muita SPD-tekniikoita ovat piin lumivyörydiodi, hallitut kipinävälit ja kaasupurkausputket. Kaksi viimeksi mainittua ovat kytkentälaitteita, jotka näyttävät oikosulkuilta tai sorkkaraudoilta. Jokaisella tekniikalla on omat ominaisuutensa, mikä tekee siitä enemmän tai vähemmän sopivan tiettyyn sovellukseen. Näiden laitteiden yhdistelmiä voidaan myös koordinoida tarjoamaan optimaalisempia ominaisuuksia kuin ne tarjoavat erikseen. Taulukossa 1 luetellaan tärkeimmät aurinkosähköjärjestelmissä käytetyt SPD-tyypit ja esitetään niiden yleiset käyttöominaisuudet.

SPD: n on kyettävä vaihtamaan tiloja riittävän nopeasti lyhytaikaisen hetken ajan ja purkamaan transienttivirran suuruus epäonnistumatta. Laitteen on myös minimoitava jännitehäviö SPD-piirin yli suojaamaan liitettyä laitetta. Lopuksi SPD-toiminnon ei pitäisi häiritä kyseisen piirin normaalia toimintaa.

SPD: n käyttöominaisuudet määritellään useilla parametreilla, jotka SPD: n valinnan tekevän on ymmärrettävä. Tämä aihe vaatii lisätietoja, jotka voidaan käsitellä tässä, mutta seuraavat parametrit on otettava huomioon: suurin jatkuva käyttöjännite, AC- tai DC-sovellus, nimellinen purkausvirta (määritelty suuruuden ja aaltomuodon mukaan), jännitesuojaustaso ( terminaalijännite, joka esiintyy, kun SPD purkaa tiettyä virtaa) ja väliaikainen ylijännite (jatkuva ylijännite, jota voidaan käyttää tietyn ajan vahingoittamatta SPD: tä).

Eri komponenttitekniikoita käyttävät SPD: t voidaan sijoittaa samoihin piireihin. Ne on kuitenkin valittava huolellisesti, jotta varmistetaan niiden välinen energiakoordinaatio. Komponenttitekniikan, jolla on korkeampi purkausluokka, on purettava suurin mahdollinen käytettävissä oleva transienttivirta, kun taas toinen komponenttiteknologia vähentää jäännöstransienttijännitteen pienemmäksi, kun se purkaa pienemmän virran.

SPD: ssä on oltava kiinteä itsesuojaava laite, joka irrottaa sen piiristä, jos laite epäonnistuu. Tämän katkaisun ilmeiseksi monet SPD: t näyttävät lipun, joka ilmoittaa sen katkaisun tilan. SPD: n tilan osoittaminen integroidun apukosketinsarjan kautta on parannettu ominaisuus, joka voi antaa signaalin etäsijaintiin. Toinen tärkeä tuoteominaisuus, joka on otettava huomioon, käyttääkö SPD sormiturvallista, irrotettavaa moduulia, jonka avulla vikaantunut moduuli voidaan vaihtaa helposti ilman työkaluja, tai tarvetta virrankatkaisuun.

Vaihtovirtajännitesuojalaitteet aurinkosähköasennuksiin

Salamavalot pilvistä salamansuojajärjestelmään, aurinkosähkörakenteeseen tai lähellä olevaan maahan aiheuttavat paikallisen maapotentiaalin nousun kaukaisiin maaperäviittauksiin nähden. Näitä etäisyyksiä ylittävät johtimet altistavat laitteet merkittäville jännitteille. Maapotentiaalin nousun vaikutukset koetaan ensisijaisesti verkkoon kytketyn aurinkosähköjärjestelmän ja palvelun sisäänkäynnin välisen liitoksen kohdassa - paikassa, jossa paikallinen maa on sähköisesti kytketty etäiseen viitattuun maahan.

Ylijännitesuoja tulisi sijoittaa palvelun sisäänkäynnille suojaamaan taajuusmuuttajan käyttöpuolta vahingollisilta transienteilta. Tässä paikassa näkyvät transientit ovat suurikokoisia ja kestäviä, ja siksi niitä on hallittava ylijännitesuojalla, jonka purkausvirta on riittävän korkea. Ohjatut kipinävälit, joita käytetään yhdessä MOV: ien kanssa, ovat ihanteellisia tähän tarkoitukseen. Kipinävälitekniikka voi purkaa suuret salamavirrat tarjoamalla potentiaalintasausfunktion salaman transientin aikana. Koordinoidulla MOV: lla on kyky kiinnittää jäännösjännite hyväksyttävälle tasolle.

Maapotentiaalin nousun vaikutusten lisäksi taajuusmuuttajan vaihtosuuntaan voivat vaikuttaa salaman aiheuttamat ja apuohjelmakytkentäiset transientit, jotka näkyvät myös palvelun sisäänkäynnissä. Laitteiden mahdollisten vaurioiden minimoimiseksi on käytettävä asianmukaisesti mitoitettua vaihtojännitesuojaa mahdollisimman lähellä taajuusmuuttajan vaihtovirtaliittimiä siten, että johtimien läpimitta on riittävän lyhyt ja suorin. Tämän suunnittelukriteerin noudattamatta jättäminen johtaa SPD-piiriin tarvittavaa suurempaa jännitehäviötä purkauksen aikana ja altistaa suojatun laitteen transienttijännitteille kuin on tarpeen.

Tasavirtajännitesuojalaitteet aurinkosähköasennuksiin

Suorat iskut läheisiin maadoitettuihin rakenteisiin (salamansuojajärjestelmä mukaan lukien) ja pilvien väliset ja sisäiset välähdykset, joiden suuruus voi olla 100 kA, voivat aiheuttaa niihin liittyviä magneettikenttiä, jotka indusoivat ohimeneviä virtoja PV-järjestelmän tasavirtakaapeleihin. Nämä ohimenevät jännitteet näkyvät laitteiden liittimissä ja aiheuttavat tärkeimpien komponenttien eristys- ja dielektriset viat.

SPD: n sijoittaminen tiettyihin paikkoihin lieventää näiden indusoitujen ja osittaisten salamavirtausten vaikutusta. SPD on sijoitettu yhdensuuntaisesti jännitteisten johtimien ja maan välille. Se muuttaa tilaa suurimpedanssilaitteesta matalaimpedanssilaitteeksi ylijännitteen tapahtuessa. Tässä kokoonpanossa SPD purkaa siihen liittyvän ohimenevän virran minimoiden ylijännitteen, joka muuten esiintyisi laiteliittimissä. Tämä rinnakkainen laite ei kuljeta mitään kuormavirtaa. Valitun SPD: n on oltava erityisesti suunniteltu, mitoitettu ja hyväksytty käytettäväksi tasavirta-PV-jännitteillä. Kiinteän SPD-irtikytkennän on kyettävä keskeyttämään vakavampi tasavirtakaari, jota ei löydy vaihtosovelluksista.

MOV-moduulien kytkeminen Y-kokoonpanoon on yleisesti käytetty SPD-kokoonpano suurissa kaupallisissa ja hyödyllisissä aurinkosähköjärjestelmissä, jotka toimivat enintään 600 tai 1,000 Vdc: n avoimen piirin jännitteellä. Y: n jokaisessa osassa on MOV-moduuli, joka on kytketty kuhunkin napaan ja maahan. Maadoittamattomassa järjestelmässä on kaksi moduulia kunkin navan välillä, sekä napan että maan välillä. Tässä kokoonpanossa kukin moduuli on mitoitettu puolelle järjestelmän jännitteestä, joten vaikka napa-maa-vika ilmenisi, MOV-moduulit eivät ylitä niiden nimellisarvoa.

Järjestelmän ylijännitesuojauksen näkökohdat

Aivan kuten sähköjärjestelmän laitteet ja komponentit ovat alttiita salaman vaikutuksille, samoin ovat laitteet, jotka löytyvät näihin asennuksiin liittyvistä mittaus-, ohjaus-, instrumentointi-, SCADA- ja viestintäjärjestelmistä. Näissä tapauksissa ylijännitesuojan peruskäsite on sama kuin virtapiireissä. Koska tämä laite kuitenkin yleensä sietää vähemmän ylijännite-impulsseja ja on alttiimpi virheellisille signaaleille ja siihen, että sarjaan tai rinnakkaisiin komponentteihin lisättävät piirit vaikuttavat haitallisesti niihin, on jokaisen lisätyn SPD: n ominaisuuksiin kiinnitettävä enemmän huomiota. Spesifisiä SPD: itä vaaditaan sen mukaan, kommunikoivatko nämä komponentit kierretyn parin, CAT 6 Ethernet: n vai koaksiaalisen radiotaajuuden kautta. Lisäksi virrattomille piireille valittujen SPD-laitteiden on kyettävä purkamaan transienttivirrat vikaantumatta, tarjoamaan riittävä jännitesuojaustaso ja pidättäytymään häiritsemästä järjestelmän toimintaa - mukaan lukien sarjaimpedanssi, linja-linja ja maadoituskapasitanssi sekä taajuuskaistanleveys .

SPD: n yleiset väärinkäytöt

SPD: itä on käytetty virtapiireihin monien vuosien ajan. Useimmat nykyaikaiset virtapiirit ovat vaihtovirtajärjestelmiä. Sellaisena suurin osa ylijännitesuojalaitteista on suunniteltu käytettäväksi vaihtovirtajärjestelmissä. Suurten kaupallisten ja hyötykäyttöisten aurinkosähköjärjestelmien suhteellisen äskettäinen käyttöönotto ja lisääntynyt käyttöönotettujen järjestelmien määrä on valitettavasti johtanut vääränlainen käyttö vaihtovirtajärjestelmille suunniteltujen SPD-laitteiden tasavirtapuolelle. Näissä tapauksissa SPD: t toimivat väärin, etenkin vikatilassa, tasavirta-PV-järjestelmien ominaisuuksien vuoksi.

MOV: t tarjoavat erinomaiset ominaisuudet SPD: nä toimimiseksi. Jos ne on mitoitettu oikein ja sovellettu oikein, ne toimivat laadukkaasti kyseiselle toiminnolle. Kuten kaikki sähkötuotteet, ne voivat kuitenkin epäonnistua. Vika voi johtua ympäristön lämmityksestä, purkautumisvirroista, jotka ovat suurempia kuin laite on suunniteltu käsittelemään, purkautuu liian monta kertaa tai altistuu jatkuville ylijänniteolosuhteille.

Siksi SPD: t on varustettu lämpökäytöllä olevalla irtikytkimellä, joka erottaa ne rinnakkaisliitännästä jännitteelliseen tasavirtapiiriin tarvittaessa. Koska osa virrasta virtaa läpi, kun SPD siirtyy vikatilaan, lämpökatkaisimen toimiessa näkyy pieni kaari. Kun sitä käytetään vaihtovirtapiiriin, generaattorin syöttämän virran ensimmäinen nollaristitys sammuttaa kaaren ja SPD poistetaan turvallisesti piiristä. Jos samaa AC SPD: tä käytetään PV-järjestelmän DC-puolelle, etenkin suurille jännitteille, DC: n aaltomuodossa ei ole virran nollan ylitystä. Normaali lämpökytkin ei pysty sammuttamaan kaarivirtaa, ja laite epäonnistuu.

Rinnakkaisen sulatetun ohituspiirin sijoittaminen MOV: n ympärille on yksi menetelmä tasavirran kaaren sammumisen voittamiseksi. Jos terminen katkaisu toimii, kaari näkyy edelleen sen avautuvien koskettimien yli; mutta kaarivirta ohjataan samansuuntaiselle polulle, joka sisältää sulakkeen, jossa kaari sammuu, ja sulake keskeyttää vikavirran.

Ylävirtaan sulautuminen SPD: n edessä, kuten voidaan soveltaa vaihtovirtajärjestelmiin, ei ole tarkoituksenmukaista tasavirtajärjestelmissä. Sulakkeen käytössä oleva oikosulkuvirta (kuten ylivirtasuojalaitteessa) ei välttämättä riitä, kun generaattori on pienemmällä teholla. Tämän seurauksena jotkut SPD-valmistajat ovat ottaneet tämän huomioon suunnittelussaan. UL on muuttanut aikaisempaa standardia täydentämällä uusinta ylijännitesuojausstandardia - UL 1449. Tätä kolmatta laitosta sovelletaan erityisesti aurinkosähköjärjestelmiin.

SPD-tarkistuslista

Huolimatta suuresta salamariskistä, jolle monet aurinkosähkölaitteistot altistuvat, ne voidaan suojata SPD: llä ja oikein suunnitellulla salamansuojajärjestelmällä. SPD: n tehokkaan täytäntöönpanon tulisi sisältää seuraavat näkökohdat:

• Oikea sijoitus järjestelmään
• Irtisanomista koskevat vaatimukset
• Laitteen ja maadoitusjärjestelmän asianmukainen maadoitus ja kiinnitys
• Vastuuvapauden luokitus
• Jännitteen suojaustaso
• Soveltuvuus kyseiseen järjestelmään, mukaan lukien tasavirta- ja vaihtosovellukset
• Virhetila
• Paikallinen ja etäinen tilanäyttö
• Helposti vaihdettavat moduulit
• Normaaliin järjestelmän toimintaan ei tulisi vaikuttaa, etenkin muissa kuin sähköjärjestelmissä